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1、毕 业 论 文基于单片机的数字电压表的设计摘 要本设计主要研究的是以AT89C51单片机为核心的电压测量系统，该系统能够在单片机的控制下完成对电压信号采集，能够根据采样值进行量程自动转换，并且测量结果可通过四个数码管显示出来。整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。在整个系统的设计过程中，主要采用了模块化的设计方法。关键词： AT89C51单片机；数字电压表；模块化Design of the digital voltmeter based on the MCUAbstract This pa
2、per introduces an achievement of a voltage measure system based on the AT89C51 MCU. This system can accomplish the signal sampling of voltage, and change range automatically according to the signal sampled. The result can be displayed through numeral rube of four places.In this design, the hardware
3、circuit and software programming are both realized at the judge of hardware circuit and imitation of software program. This system can fulfill the function of measure and displaying under the demanded conditions. Over the designing of the whole system, the method of modularity is used.Key words: AT8
4、9C51 MCU; Digital Voltmeter; Modularity 目 录绪论1第一篇 硬件部分的设计11. 数据采集部分的设计21.1 交流信号和直流信号的采样22. 量程自动转换电路的设计43. 模数转换单元的设计54. 控制电路的设计74.1总体概况7一.主要功能7二.内部结构框图8三.外部引脚说明94.2 单片机在系统中的应用115. 显示部分的设计125.1键盘显示8279芯片125.2 8279的组成和基本工作原理135.3 8279引脚及功能155.4 8279的工作方式及命令字格式17第二篇 软件系统的设计231. MCS-51单片机汇编语言232. 主程序的设计2
5、33. 子程序的设计253.1采样程序的设计253.2 量程处理程序的设计263.21 采样及其处理程序263.22 计算部分的设计283.23 显示部分的软件设计293.3 超量程处理294. 系统程序清单29设计总结41参考文献41绪论在电气测量中，电压是一个很重要的参数。如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的内容之一。数字电压表是通用仪器中使用较广泛的一种测试仪器，很多电量或非电量经变化后都用可数字电压表完成测试。因此，数字电压表被广泛地应用于科研和生产测试中。本文将介绍一种以单片机为核心的电压测量仪表，它能够测量电压量，能够自动进行量程选择，并且测量结果能够通过数码管显示
6、，从而具有一定的智能性。本文将就这一系统的硬件电路部分和软件程序部分分别作以介绍。在硬件部分，本文就系统的各个组成模块的原理作了详细的介绍。另外，在每一模块电路中都对元器件的选择作了简单的介绍，其中包括有关数值的计算和分析。在软件部分，详细阐述了各个模块电路的软件设计方法和设计中的细节。第一篇 硬件部分的设计分析本设计，可以看出其主要任务就是对电压信号能够自动选择合适的量程进行测量并显示。本设计要求采用单片机进行控制，由于单片机的有效输入输出信号均为数字信号，而对于整个系统的前向通道有效信号均应为模拟信号，所以在设计过程中必然包括模拟量转换为数字量单元的设计。根据要求本设计中采用的是V/F转换
7、电路。对于V/F转换电路，要使其转换具有良好的线性度和精度必须使其输入电压变化范围较小。而本系统中要求测量的电压范围是0500V,无法满足V/F转换的要求。所以，前向模拟通道的设计要包括量程转换部分，即对大信号进行分压变小，对小信号进行放大，显然，这样不仅能满足V/F转换电路的要求，而且也能有效的防止超量程测量。另外，前向通道的设计还应包括对模拟信号的采集部分。本设计框图如图1-1所示：图1-1 设计总框图在以后的各节中，将分别介绍各个部分的设计。1. 数据采集部分的设计根据本系统的要求所采集的信号应为电压信号，同时电压信号还应有交流和直流之分。所以在设计中应该具有相应的处理电路，使最终的信号
8、得以统一。对于交流信号可以采用交/直流变换的方法变为直流，这样最终进入模/数转换单元（即V/F转换单元）的模拟信号就应该为直流电压信号。对于信号变换部分应该注意的是所采样的信号种类应能够通知控制部分（单片机），以使控制部分做出相应的计算处理，只有这样才能保证最终的显示结果的正确性。1.1 交流信号和直流信号的采样本设计中所采用的交直流转换电路如图1-2所示：分析此电路，可以看出此电路集精密全波整流、量程切换、信号过零比较于一体。CD4053是三组单刀双掷集成模拟开关，开关X承担了全波整流的任务，其控制端A受控于比较器的输出电平。图中U10工作于同相放大状态，运放U11工作于反相放大状态，比较器
9、的输入引自U10的放大输出信号，这有利于提高比较器对信号的灵敏度。电路输入交流信号的正半波时，同相连接的比较器U9输出高电平，模拟开关X接通运放U10输出信号送后续的模拟信号与数字信号的转换单元；电路输入交流信号的负半波时，比较器U9输出低电平，模拟开关X接通反相器U11的输出信号送后续的模拟信号与数字信号的转换单元。由此完成了由U9过零跃变的准数字量控制的全波整流过程。这个准数字信号就可以用来通知控制部分所进行测量的是交流信号还是直流信号，以使控制部分进行相应的计算和显示。CD4053的另两组模拟开关Y 和Z承担了三个量程的切换任务，它们的控制端B 和C通过来自单片机的量程切换命令。图1-2
10、 交直流转换电路另外，图1-2电路能同样有效地用于直流信号的前置处理。电路的输入端无论接入的是直流正信号还是直流负信号，输出的幅值都是0伏以上的直流正信号，这对于后续电路的设计尤其适用，而此时可以从比较器输出的电平高低获知是正输入还是负输入。特别重要的示，直流信号和交流信号具有同样的传输增益，给交直流参数的测量软件同一处理提供了极大的方便。显然，此电路满足本设计的要求，而且它集量程转换于一体，为量程转换部分的设计提供了方便，节省了硬件资源。2. 量程自动转换电路的设计在仪表的设计过程中，量程转换的设计是相当重要的。所设计的系统应该具有自动转换量程的功能，并且能够自动判断是否超量程测量。这样才能
11、够为后续的模数转换单元提供适当的输入电压，使其转换具有良好的精度和线性度。在本设计中模数转换单元选择的是电压/频率转换电路，对于V/F转换电路，其输入电压选择05V。这样，经过量程转换后的电压范围就应该为05V。因为本系统的输入电压范围是0500V，故我们可以选择1/100作为其最大电压的量程档，500V经过1/100分压后降为5V，恰好可以满足V/F转换的要求。在本设计中，对于电压信号设置了五个量程，即1/100档，1/10档，1档，10档，100档。1/100档和1/10档由分压电路来完成，它们是用来测量较大电压的。而1档，10档，100档则是应用放大电路来完成的，它们则是用来测量较小的电
12、压的。在本设计中，1档，10档，100档可由交直流转换部分的电路来实现，见图1-4。此电路中的多路选择开关CD4053可以用来选择放大倍数，在该电路中分别设置了1，10和100的放大倍数。具体选择多大的放大倍数可以通过单片机的引脚P1.3和P1.4电平来控制。本设计中CD4053各个开关的导通与单片机引脚的关系见表1-1所示。表1-1：CD4053与单片机引脚的关系 C（P1.4） B(P1.3)Y选通情况 Z选通情况 0 0 YY0 0 1 YY1 ZZ0 1 0 YY0 1 1 YY1 ZZ1本设计中1/100和1/10分压比的选择也由单片机引脚控制多路选择开关来实现。由于本系统要求的电压
13、测量范围是0500V,所以多路开关的选择应特别注意其耐压值。在本设计中采用的是MAX4602,因为它的耐压值可达到两千伏左右，故可以应用在本系统中。分压比的选择由单片机的P1.0和P1.1来控制。电路图见图1-3。图1-3 量程转换部分的分压电路由上述分析可知量程的转换由两部分（即分压和放大）共同完成，所以在量程的选择时需注意两部分的关系，即选用分压时放大电路的放大倍数要选为1，选用放大时信号要直接进来而不经过分压。3. 模数转换单元的设计单片机对模拟信号的读取通常是采用A/D转换方式，这一方法对输出阻抗低，惰性强，变化缓慢，传输距离长的信号，采用A/D转换的抗干扰性能就比较差。对于不需要较快
14、检测速度的信号，如果采用V/F变换器代替原有的A/D转换器，把电压信号转换成与之对应的频率信号（f=kv）,由单片机CPU计数器在采样周期内对频率脉冲进行计数，采样时，CPU发出计数指令，定时时间一到，计数停止，从读到的计数值乘以一定的系数，就可以得到相应电压值。本设计中，采用的是LM331转换芯片（V/F）将模拟信号转变为相应的频率信号，具体电路如图1-4所示：图1-4 V/F转换电路LM331是单片集成芯片，在V/F转换器中，它是LM31系列中的一种，它作为一种简单廉价的电路很适用于模/数转换。它使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有较高的精度，最
15、大线性度达0.01%，6个数量级的动态范围，即满量程的频率范围为1HZ 100KHZ。其数字脉冲重复率正比于模拟输入电压的幅值。这类器件的高精度，高线性度，低温移及单调性的组合所提供的性能是其它技术难以实现的。逐次近似A/D转换器定期进行“抽样”，因此易受噪声尖峰的影响，而电压频率转换器的输出端一直在进行积分，因此能对噪声或变化的输入信号进行平滑，特别适合于噪声工作环境。对V/F变换，整个电路都是线性放大。对LM331,根据V/F变换的原理，其输出频率与输入电压的关系满足下面的公式:f=(V/2.09)(R/R)(1/R)(1/C) (1-3)由公式1-3可以看出输出频率f与输入电压V成正比。对V/F转换，满度频率f大，闸门周期短，转换快，分辨率高，但同时线性度下降。因此在选择参数R、R、R、C时格外要注意。本设计中的输入电压Vi在05V(即量程转换后的电压均为05V)内变化，输出f选择在010KHZ内变化，
